(57)【要約】  部品点数が少なく簡易で組み立てやすい構成であって小型化が容易であり、なおかつ、絶縁不良等の故障が生じにくい流量調整弁４を提供することを目的とし、弁体部材４１が、筒状をなすハウジング４１１ａと、該ハウジング４１１ａにその一端面を閉塞するように一体に成形された弾性変形可能な弁体たるダイヤフラム部材４１１ｂと、前記ダイヤフラム４１１ｂ部材の内面に先端が当接するように配置された伸縮可能な圧電素子４１２と、前記ハウジング４１１ａの他端部に、前記圧電素子４１２の伸縮方向と同方向に進退可能に取り付けられた進退桿４１１ｃ．２と、前記進退桿よりも前記ハウジングの内側に設けられて、該ハウジング内部の気密性を保持する変形可能な気密保持部材４１１ｃ．３とを具備し、前記進退桿が前記気密保持部材を介して前記圧電素子に当接しその位置を調整するようにした。
2011040330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部流路を有したボディに取り付けられて前記内部流路を流れる対象流体の流量を調節するものであって、
流量調節のための弁体部材が、
筒状をなすハウジングと、
該ハウジングにその一端面を閉塞するように設けられた弾性変形可能な弁体たるダイヤフラム部材と、
前記ダイヤフラム部材の内面に先端が当接するように前記ハウジング内に配置された伸縮可能な圧電素子と、
前記ハウジングの他端部に、前記圧電素子の伸縮方向と同方向に進退可能に取り付けられた進退桿と、
前記進退桿よりも前記ハウジングの内側に設けられて、該ハウジング内部の気密性を保持する変形可能な気密保持部材とを具備し、
前記進退桿が前記気密保持部材を介して前記圧電素子に当接しその位置を調整するものであることを特徴とする流量調整弁。
【請求項２】
請求項１記載の前記ハウジングが一端側要素と他端側要素とを連結して構成したものであり、前記一端側要素に前記ダイヤフラム部材が一体成形されていることを特徴とする流量測定機構。
【請求項３】
請求項１記載の流量調整弁と、前記対象流体の流量を測定する流量測定機構と、前記流量測定機構による測定流量が予め定めた目標流量になるように前記流量調整弁を制御する制御回路とを具備したものであることを特徴とするマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体プロセスで用いられる材料ガス等の流量や圧力を精密に制御することができる流量調整弁及びそれを利用したマスフローコントローラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を用いた流量調整弁は、流量を精密に制御できるものとして知られており、その具体例を挙げると、例えば、弁体たる板状のダイヤフラムを、圧電素子を利用したアクチュエータによって付勢し、弁座との間の隙間を調整して流量を制御するようにしたものがある。【０００３】
前記アクチュエータは、例えば図１０に示すように、ベローズを用いて作られた伸縮可能な金属円筒ケース内に圧電素子を気密に収容封止したものである。そして、この圧電素子に電気信号を与えて伸縮させることで、金属円筒ケースの先端面を進退させ、その先端面で別に設けたダイヤフラムを付勢するようにしてある。圧電素子を金属ケースに封入してあるのは、湿度の影響による絶縁不良等を防止するためである。【０００４】
しかしながら、上記構成において、ガスに直接触れるのはダイヤフラムであってアクチュエータがガスに直接接することはないし、アクチュエータはさらにハウジング（図示しない）に収容されているから金属円筒ケースがなかったとしても、圧電素子が外気湿度等の影響を受けることもない。したがって、圧電素子を封入する金属円筒ケースは不要である。逆に言えば、従来の構成では、部品点数が無用に増えるうえ、小型化や低価格化を阻害する。【０００５】
これに対して、特許文献１には、圧電素子で直接ダイヤフラムを付勢する構成の流量調整弁が記載されている。
ところが、この構成では、ダイヤフラムがハウジングと別に設けられており、ダイヤフラムをハウジングと弁本体との間で挟み込んで固定する構造であることから、シールが難しい。また、圧電素子を封入しているハウジングには、圧電素子の初期位置調整のためのネジが設けられているが、このネジの螺合部分からの気体漏れが発生するため、この点でもハウジング内の気密性が確保できず、圧電素子に絶縁不良等が発生する恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−１７７３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記のような問題点を鑑みてなされたものであって、部品点数の少ない簡易で組み立てやすい構成であって小型化が容易であり、なおかつ、絶縁不良等の故障が生じにくい流量調整弁及びそれを利用したマスフローコントローラを提供すべく図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明に係る流量調整弁は、内部流路を有したボディに取り付けられて前記内部流路を流れる流体の流量を調節する弁座部材及び弁体部材を具備したものであって、
前記弁体部材が、筒状をなすハウジングと、該ハウジングにその一端面を閉塞するように設けられた弾性変形可能な弁体たるダイヤフラム部材と、前記ダイヤフラム部材の内面に先端が当接するように前記ハウジング内に配置された伸縮可能な圧電素子と、前記ハウジングの他端部に、前記圧電素子の伸縮方向と同方向に進退可能に取り付けられた進退桿と、前記ハウジング内部の気密性を保持できるように前記進退桿よりも該ハウジングの内側に設けられた変形可能な気密保持部材とを具備し、前記進退桿が前記気密保持部材を介して前記圧電素子に当接しその位置を調整するものであることを特徴とする。【０００９】
このようなものであれば、ダイヤフラム部材が、圧電素子をハウジングに気密に封止するための封止部材と流量を調整する弁体としての機能を兼備するため、部品点数を削減でき、小型化や省スペース化を図ることが可能になる。また、ハウジングの一端面にダイヤフラム部材を設けるとともに、他端部には気密保持部材を設けたうえでこの気密保持部材を介して進退桿により圧電素子の位置を調整できるように構成しているので、ハウジング内の気密性を確実に保つことができる。【００１０】
組み立ての簡単化を促進させるには、前記ハウジングが一端側要素と他端側要素とから少なくとも構成され、前記一端側要素に前記ダイヤフラム部材が一体成形されているものが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ダイヤフラム部材が、ハウジングの封止部材と弁体としての機能を兼備するため、部品点数を削減でき、小型化や省スペース化を図ることが可能になる。また、ハウジングの一端面にダイヤフラム部材を設けているので製造が簡単であるとともに、その他端部には気密保持部材を設けているので、進退桿による圧電素子の位置調整を、ハウジングの気密性を保持しながら行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態におけるマスフローコントローラの流体回路図
【図２】同実施形態におけるマスフローコントローラの全体斜視図。
【図３】同実施形態におけるマスフローコントローラの内部構造を示す縦断面図。
【図４】同実施形態におけるマスフローコントローラの平面図。
【図５】同実施形態における圧力センサの内部構造を示す横断面図。
【図６】同実施形態におけるマスフローコントローラの分解斜視図。
【図７】同実施形態における流量調整弁の内部構造を示す部分断面図。
【図８】同実施形態における流量調整弁の内部構造を示す部分断面図。
【図９】同実施形態における流体抵抗部材を凹部に収容した状態での内部構造を示す部分断面図。
【図１０】従来の流量調整弁の内部構造を示す概略断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るマスフローコントローラ１００は、例えばガスパネルに搭載されて半導体製造装置の材料供給ラインの一部を構成するものであり、図１に流体回路図、図２に全体斜視図を示すように、流量制御対象である流体が流れる内部流路１ａを有するボディ１と、前記内部流路１ａ上に設けられた流量調整弁４と、この流量調整弁４よりも下流側に設けられ、当該内部流路１ａを流れる流体の流量を測定する流量測定機構１０と、この流量測定機構１０による測定流量が予め定めた目標流量になるように前記流量調整弁４を制御する制御回路６（図１には示していない）とから構成されている。以下に各部を詳述する。【００１４】
ボディ１は、図１に示すように、長細い直方体形状をなすものである。このボディ１における長手方向と平行な１つの面は、部品取付面１ｃとして設定してあり、この部品取付面１ｃのみに、前記流量調整弁４や圧力センサ２１、２２などが取り付けられるように構成してある。また、この取付面１ｃの反対側の面を、当該ボディ１をパネルなどに固定するための固定面としている。さらに、長手方向と平行な他の２面（以下、側面と言う）には何も取り付けないようにして、複数のボディ１の側面同士を密着乃至近接させて配置できるように構成してある。【００１５】
内部流路１ａは、図３に示すように、その流体導入口１ｄ及び流体導出口１ｅを、前記ボディ１の長手方向に直交する両端面にそれぞれ開口させたものである。そして、前記部品取付面１ｃと直交する方向から視たときに（以下、平面視とも言う）、流体が長手方向に沿って流れていくように構成してある。【００１６】
流量調整弁４は、図３、図６、図７に示すように、弁座部材４２と弁体部材４１とからなる該略柱状をなすものであり、前記部品取付面１ｃにおける流体導入口１ｄ側の一端部に鉛直に取り付けられている。この流量調整弁４の最大幅寸法は、前記部品取付面１ｃの幅寸法（長手方向と直交する方向の寸法）よりも小さいか又は同一に設定してあり、図４に示すように、この流量調整弁４をボディ１に取り付けた状態で、流量調整弁４がボディ１よりも幅方向に突出しないように構成してある。【００１７】
この流量調整弁４を構成する部材のうち、前記弁座部材４２は、図６、図７等に示すように、その頂面中央部に円環状の座面４２ａを突出形成した概略柱状をなすものである。また、前記弁座部材４２には、一端が該弁座部材４２の頂面中央部（具体的には弁座面４２ａの内側）に開口するとともに他端が該弁座部材４２の底面中央部に開口する流体導入路４２ｂと、一端が該弁座部材４２の頂面周縁部（より具体的には弁座面４２ａよりも外側）に開口するとともに他端が該弁座部材４２の底面周縁部に開口する流体導出路４２ｃとが貫通させてある。【００１８】
この弁座部材４２は、前記部品取付面１ｃの一端部に開口させた有底凹部１ｆに嵌め込まれる。この有底凹部１ｆは、前記内部流路１ａを分断する位置に設けてある。具体的には、該有底凹部１ｆの底面中央部に、分断された内部流路１ａのうちの上流側内部流路１ａ（１）の終端が開口させてあり、該有底凹部１ｆの底部側周面には、下流側内部流路１ａ（２）の始端が開口させてある。【００１９】
しかして、この構成により、有底凹部１ｆに弁座部材４２を嵌め込んだ状態において、前記流体導入路４２ｂの他端が、有底凹部１ｆの中央に開口する上流側内部流路１ａ（１）の終端にシール部材ＳＬ２を介して連通し、また、前記流体導出路４２ｃの他端が、弁座部材４２の底面周縁部から側周面底部にかけて有底凹部１ｆの内周面との間に隙間があることから、前記下流側内部流路１ａ（２）の始端に連通するようにしてある。【００２０】
一方、前記弁体部材４１は、図３、図７、図８に示すように、内部が気密状態となるように構成した筐体４１１と、この筐体４１１の内部に収容した柱状をなす積層圧電素子４１２とを具備している。【００２１】
筐体４１１は、長尺筒状をなすハウジング４１１ａと、このハウジング４１１ａの一端面を気密に閉塞する弾性変形可能な薄肉板状のダイヤフラム部材４１１ｂと、前記ハウジング４１１ａの他端面を気密に閉塞する閉塞部材４１１ｃとを具備したものである。【００２２】
ハウジング４１１ａは、前記有底凹部１ｆ上を覆うように部品取付面１ｃに取り付けられる円筒状の一端側要素４１１ａ．１と、この一端側要素４１１ａ．１に連結されるブロック体状の他端側要素４１１ａ．２とからなるものである。【００２３】
ダイヤフラム部材４１１ｂは、図７に示すように、内側に向かって突出する突起４１１ｂ．１を中央に有した弾性変形可能な薄板であり、前記一端側要素４１１ａ．１と一体に成形されている。【００２４】
閉塞部材４１１ｃは、図８に示すように、ハウジング４１１ａの他端面を閉塞するように取り付けた円板状をなす部材本体４１１ｃ．１と、この部材本体４１１ｃ．１の中央に貫通させた雌ねじ孔に螺合する進退桿たる調整ネジ４１１ｃ．２と、その螺合部分を取り囲むように部材本体４１１ｃ．１の内面に取り付けた気密保持部材４１１ｃ．３とを具備したものである。なお、前記部材本体４１１ｃ．１には、圧電素子駆動用の端子Ｔが気密に貫通させてあり、いわゆるハーメチック構造となっている。前記気密保持部材４１１ｃ．３は、軸方向に弾性伸縮する筒状のベローズ部４１１ｃ．３１と、このベローズ部４１１ｃ．３１の底部分に気密に接合された柱状部材４１１ｃ．３２とからなる。【００２５】
前記柱状部材４１１ｃ．３２は、調整ネジ４１１ｃ．２と積層圧電素子４１２の間に介在するものであり、調整ネジ４１１ｃ．２を螺進退させることによって、柱状部材４１１ｃ．３２を介して積層圧電素子４１２の軸方向の位置を調整することができるように構成してある。なお、柱状部材４１１ｃ．３２の先端面と積層圧電素子４１２の基端面とは接着してある。【００２６】
しかして、図７に示すように、前記ハウジング４１１ａの一端面をボディ１の部品取付面１ｃにシール部材ＳＬ１を介して取り付けることにより、ボディ１に形成した前記有底凹部１ｆの開口を該一端面で封止するとともに、弁座面４２ａにダイヤフラム部材４１１ｂを対向させ、前記圧電素子４１２の伸縮によってダイヤフラム部材４１１ｂと弁座面４２ａとの離間距離が変わって、このダイヤフラム部材４１１ｂが弁体４１ａとして機能するようにしてある。
また、このとき、シール部材ＳＬ２が圧縮されることによる反力で、前記ハウジング４１１ａの一端面と弁座部材４２の頂面周縁面４２ｄとが密接するようにしてある。このことによって、ダイヤフラム部材４１１ｂの外面と弁座面４２ａとの平行度が高い精度で担保され、これらの間の隙間が理想的なオリフィスとして機能するように図っている。【００２７】
流量測定機構１０は、流体回路的に言えば、図１に示すように、内部流路１ａ上に設けた抵抗流路３ａと、該抵抗流路３ａの上流側及び下流側における内部流路１ａ内の流体圧力を計測する一対の圧力センサ２１、２２とからなるものであり、圧力センサ２１、２２による圧力計測値と抵抗流路３ａの抵抗値とに基づいて、内部流路１ａを流れる流体の流量を測定可能に構成したものである。【００２８】
前記抵抗流路３ａは、図６、図９に示すように、複数の矩形状薄板３１〜３５を積層させた直方体状の流体抵抗部材３に形成したものである。すなわち、図６に示すように、各薄板又は一部の薄板に、積層させたときに重なり合って積層方向に貫通する連通路３ｃとなる貫通孔３ｂと、前記連通路３ｃに内方端が連通し外方端が長手方向と直交する側面に開口するスリット３ｄとを設け、前記薄板３１〜３５を積層させたときに、スリット３ｄによって抵抗流路３ａが形成されるようにしたものである。なお、スリット３ｄの形状や本数を異ならせることによって流路抵抗を調整することができる。【００２９】
また、ボディ１の部品取付面１ｃにおける長手方向中央部には、図３、図６、図９に示すように、内部流路１ａを分断するように矩形状の凹部１ｈが設けてある。前記流体抵抗部材３は、この凹部１ｈに、幅方向には隙間無く、ボディ１の長手方向には、隙間を有して嵌り込むことで取り付けられる。この凹部１ｈの底面中央には、この凹部１ｈで分断された内部流路１ａのうちの上流側内部流路１ａ（２）の終端が開口する一方、有底凹部１ｆにおける長手方向の底面縁部には、下流側内部流路１ａ（３）の始端が開口するように構成してある。【００３０】
そして、この流体抵抗部材３が凹部１ｈに嵌まり込んだ状態では、前記連通路３ｃの底側の一端が上流側内部流路１ａ（２）の終端にシール部材ＳＬ３を介して接続され、抵抗流路３ａの外方端が下流側内部流路１ａ（３）の始端に連通する。つまり、上流側内部流路１ａ（２）は、連通路３ｃ及び抵抗流路３ａを介して、下流側内部流路１ａ（３）に接続される。【００３１】
圧力センサ２１、２２は、図３、図５、図９等に示すように、扁平な形状をなす本体部２Ａと、その本体部２Ａ内に収容した図示しない圧電素子等のセンサ素子とを具備したものであり、この扁平な本体部２Ａをボディ１の部品取付面１ｃに対し、その面板部が、該部品取付面１ｃ上に垂直で、かつ、ボディ１の長手方向と平行になるように取り付けたものである。また、圧力センサ２１、２２の厚み寸法は、図４等に示すように、前記部品取付面１ｃの長手方向と直交する幅寸法よりも小さく又は同一に設定してあり、取付状態で圧力センサ２１、２２がボディ１よりも幅方向に突出しないように構成してある。【００３２】
この本体部２Ａ内には、内面に感圧面２ｂ１を形成した流体充填室２ｂと、ボディ１に対する取付面２ａに設けた圧力導入口２ａ１と前記流体充填室２ｂとを連通する流体導入路２ｃとが設けてあり、前記感圧面２ｂ１が受圧して変位した量を前記センサ素子が検知し圧力信号として出力するようにしてある。流体充填室２ｂは、本体部２Ａに形成した薄い円板状をなすものであり、この流体充填室２ｂの片方の面板部を前記感圧面２ｂ１としている。この感圧面２ｂ１は、圧力センサ２１、２２をボディ１に取り付けた状態において、ボディ１の長手方向と平行で、かつ、前記部品取付面１ｃと垂直となるように設定してある。
図示しないセンサ素子は、感圧面２ｂ１を形成する壁体の裏側に接触させてある。【００３３】
そして、一対の圧力センサ２１、２２のうちの上流側の圧力センサ２１を、ボディ１の部品取付面１ｃにおける長手方向中央部に取り付けるとともに、下流側の圧力センサ２２を、前記部品取付面１ｃにおける長手方向他端部に取り付けるようにしている。【００３４】
具体的に説明すれば、前記上流側圧力センサ２１は、ボディ１に取り付けることによって、その取付面２ａが前記凹部１ｈの開口を環状シール部材ＳＬ４を介して気密に封止するとともに、凹部１ｈ内の流体抵抗部材３を、凹部１ｈの底面との間で押圧挟持するように構成してある。このことにより、流体抵抗部材３を専用の蓋等でシールする必要がなくなり、部品点数の削減や組み立ての簡単化を促進して低コスト化を図ることができる。【００３５】
また、この状態において、流体抵抗部材３における連通路３ｃが上流側圧力センサ２１の圧力導入口２ａ１に接続され、抵抗流路３ａよりも上流側の内部流路１ａ（２）が前記連通路３ｃを介して上流側圧力センサ２１に連通されるように構成してある。【００３６】
一方、抵抗流路３ａよりも下流側の内部流路１ａ（３）は、ボディ１の長手方向に沿って延伸し流体導出口１ｅに至るとともに、その途中で分岐した分岐流路１ｉによって、下流側圧力センサ２２に圧力導入口２ａ１に接続されるようにしてある。【００３７】
制御回路６は、ボディ１とは別体又は付帯させて設けたものであり、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、その他のアナログ乃至デジタル電気回路で構成されている。そして、メモリに格納したプログラムにしたがってＣＰＵやその他周辺機器が協働することによって、この制御回路６が、前記流量調整弁４を制御し、内部流路１ａの流体流量を、外部から指示した設定流量となるように調整する。以下にその動作の概要を、本マスフローコントローラの動作説明も兼ねて簡単に説明する。【００３８】
この制御回路６は、各圧力センサ２１、２２からの出力信号値を受信すると、それら出力信号値から、オフセットや係数などを考慮した所定の変換式に基づいて、前記抵抗流路３ａの上流側及び下流側における流体の圧力を算出する。そしてそれら圧力と予め測定してある抵抗流路３ａでの流体抵抗値（抵抗係数）や流体粘性等に基づいて、抵抗流路３ａを流れる流体の流量を算出する。【００３９】
一方、オペレータや外部の他の機器から設定流量が与えられると、この制御回路６はその設定流量と前記算出流量との偏差を算出し、その偏差に基づいて、前記算出流量が設定流量に近づくように、流量調整弁４に対して前記積層圧電素子４１２を伸縮させる指令信号を出力する。このようにして、弁座面４２ａと弁体４１ａとの離間距離を変動させ、この流量調整弁４を流れる流体、つまりこの内部流路１ａを流れる流体の流量を調整する。【００４０】
しかして、このように構成した本実施形態によれば、ダイヤフラム部材４１１ｂが、圧電素子４１２をハウジング４１１ａに気密に封止するための封止部材と流量を調整する弁体としての機能を兼備するため、部品点数を削減でき、小型化や省スペース化を図ることが可能になる。また、ハウジング４１１ａの一端面にダイヤフラム部材４１１ｂを一体に成形するとともに、他端面には気密保持部材４１１ｃ．３を設けているのでハウジング内の気密性を確実に保つことができる。さらにこの気密保持部材４１１ｃ．３を介して調整ネジ４１１ｃ．２により圧電素子４１２を押引できるように構成しているので、ハウジング内の気密性を保ちながら、圧電素子４１２の位置をも調整できる。【００４１】
なお、その他の付随的な効果としては、流量調整弁４と流体抵抗部材３とが、ボディ１における前記部品取付面１ｃに並んで設けられているので、その間を接続する内部流路１ａの容積を可及的に低減できることが挙げられる。したがって、流量の検知と流量の制御との時間ずれを低減でき、マスフローコントローラ１００の制御応答性を大幅に改善することが可能になる。【００４２】
さらに、流体抵抗部材３と圧力センサ２１とを、シール部材が介在するものの、実質的に直接積層配置しているので、ボディ１が長手方向に長くなることを可及的に抑制でき、コンパクト化を促進できる。【００４３】
コンパクト化という点では、以下の効果も奏し得る。すなわち、圧力センサ２１、２２を、その感圧面２ｂ１がその取付面２ａに対して垂直に起立するように構成するととともに、これら圧力センサ２１、２２を、平面視、流体の流れ方向と感圧面２ｂ１とが平行となるように、ボディ取付面１ｃに直列させて取り付けているので、感圧面２ｂ１を大面積にして高感度を維持しながらも幅方向の寸法を小さくし、平面視、細長い形状にできる。
また、この流量調整弁と圧力センサを用いて、圧力コントローラを構成しても構わない。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１００・・・マスフローコントローラ
１０・・・流量測定機構
１・・・ボディ
１ａ・・・内部流路
４・・・流量調整弁
４１・・・弁体部材
４１１ａ・・・ハウジング
４１１ａ．１・・・一端側要素
４１１ａ．２・・・他端側要素
４１１ｂ・・・ダイヤフラム部材
４１１ｃ・・・閉塞部材
４１１ｃ．１・・・部材本体
４１１ｃ．２・・・進退桿（調整ネジ）
４１１ｃ．３・・・気密保持部材
４１２・・・圧電素子
４２・・・弁座部材
６・・・制御回路
【図１】
2011040330.tif 000003
【図２】
2011040330.tif 000004
【図３】
2011040330.tif 000005
【図４】
2011040330.tif 000006
【図５】
2011040330.tif 000007
【図６】
2011040330.tif 000008
【図７】
2011040330.tif 000009
【図８】
2011040330.tif 000010
【図９】
2011040330.tif 000011
【図１０】
2011040330.tif 000012
【国際調査報告】
2011040330.tif 000013
2011040330.tif 000014
2011040330.tif 000015
2011040330.tif 000016